Evaluation of Wind Energy Potential Using the Rayleigh Distribution for the City of Iriba in Chad

Nelle vaste e aride pianure del Sahel, dove la terra è spesso secca e l'aria immobile, sta avvenendo una silenziosa rivoluzione energetica. Per le comunità che vivono in queste zone aride, il bisogno più urgente non è spesso l'elettricità per luci o telefoni, ma l'acqua. L'accesso all'acqua pulita è una lotta quotidiana, che richiede lunghi e faticosi viaggi che gravano in modo sproporzionato su donne e bambini, mentre il bestiame affronta una sete simile. Sebbene il sole sia una forza costante e potente in queste regioni, il vento è un partner più elusivo, che a volte soffia con grande forza e altre volte muove appena la polvere. Per sfruttare il vento, gli scienziati devono prima comprenderne il carattere. Essi cercano modelli nel modo in cui l'aria si muove e con quale frequenza soffia, utilizzando strumenti statistici per prevedere se una specifica località possa generare abbastanza energia per azionare pompe o turbine. L'obiettivo è trovare un modo per trasformare una forza invisibile e mutevole in una fonte di energia affidabile capace di sollevare l'acqua dal sottosuolo, offrendo un'ancora di salvezza alle comunità che da tempo dipendono dai combustibili fossili o dal lavoro umano.

Nella città di Iriba, situata nella provincia orientale del Ciad, un team di ricercatori si è posto l'obiettivo di determinare se il vento potesse fornire questa soluzione. Iriba è un luogo definito dal suo paesaggio di steppa e da una grave carenza d'acqua che minaccia i mezzi di sussistenza dei suoi residenti e dei loro branchi di cammelli. I ricercatori hanno raccolto dati sul vento che coprono oltre due decenni, dal 2000 al 2022, per costruire un quadro completo del clima locale. Si sono concentrati su un approccio matematico specifico noto come distribuzione di Rayleigh, un metodo che aiuta gli scienziati a descrivere come la velocità del vento vari nel tempo senza la necessità di una quantità impossibile di dati complessi. Applicando questo metodo ai registri del vento, sono stati in grado di modellare il flusso d'aria e stimare quanta energia trasportasse, in particolare all'altezza dove le moderne turbine eoliche vengono solitamente installate, a cinquanta metri dal suolo.

Lo studio ha rivelato che Iriba è effettivamente un luogo con un significativo potenziale eolico, ma tale potenziale è profondamente legato alle stagioni. Il vento non è costante; segue un ritmo distinto guidato dai cicli climatici della regione. Durante la stagione secca, in particolare da novembre ad aprile, un vento forte e costante, noto come harmattan, attraversa la regione provenendo da nord-est. Durante questi mesi, il vento è potente e costante. A dicembre, il picco di questa stagione, il vento a un'altezza di cinquanta metri trasporta una quantità tremenda di energia, raggiungendo una densità di potenza di 414 watt per metro quadrato. Questo è un livello di energia altamente adatto alla generazione di elettricità. Tuttavia, il vento non soffia con la stessa forza tutto l'anno. Tra giugno e ottobre, durante la stagione delle piogge, i venti diminuiscono significativamente. A settembre, la velocità del vento scende al suo punto minimo e l'energia disponibile si riduce a una frazione del suo picco invernale. Questo calo stagionale è una sfida critica, poiché significa che un sistema basato esclusivamente sul vento farebbe fatica a fornire energia durante la metà dell'anno senza assistenza.

Per capire come questa risorsa eolica potrebbe essere utilizzata, i ricercatori hanno testato tre diversi tipi di turbine eoliche rispetto alle condizioni del vento locale. Non cercavano semplicemente la macchina più potente; cercavano invece quella che funzionasse meglio con le velocità specifiche presenti a Iriba. La prima macchina testata è stata una grande turbina con una capacità di 500 kilowatt, la EWT DW54-500. La seconda era un modello più piccolo da 30 kilowatt, l'Antaris. La terza era una massiccia turbina da 850 kilowatt, la Vestas V52, progettata per regioni con venti molto forti e costanti. I risultati di questo confronto sono stati rivelatori. La massiccia turbina Vestas, nonostante le sue dimensioni, ha performato scarsamente a Iriba. Poiché è stata costruita per attendere venti molto forti, ha trascorso la maggior parte dell'anno ruotando lentamente o non affatto, generando pochissima energia e risultando in un costo significativamente più alto di 0,0898 dollari per kilowattora. La più piccola turbina Antaris si è comportata bene, specialmente durante i mesi calmi, grazie alla sua capacità di iniziare a ruotare a velocità molto basse che le ha permesso di continuare a lavorare quando altre macchine si sarebbero fermate. Tuttavia, la EWT DW54-500 è emersa come la vincitrice indiscussa per questa specifica località. Il suo design ha trovato il perfetto equilibrio, catturando abbastanza energia durante i forti venti dell'harmattan per generare una grande quantità di potenza, pur mantenendo prestazioni adeguate durante i mesi più deboli.

Le implicazioni economiche di queste scoperte sono tanto sorprendenti quanto quelle tecniche. I ricercatori hanno calcolato il costo dell'elettricità che ciascuna turbina avrebbe prodotto nel corso della sua vita utile di vent'anni. La EWT DW54-500 si è dimostrata una soluzione eccezionalmente conveniente. Ha generato elettricità a un costo medio di soli 0,031 dollari per kilowattora. Per dare un termine di paragone, il costo di gestione dei generatori diesel nelle aree remote dell'Africa subsahariana varia spesso tra 0,25 e 0,55 dollari per kilowattora a causa dell'alto costo di trasporto del carburante. La soluzione eolica proposta per Iriba è quasi otto volte più economica dell'attuale alternativa diesel. Anche durante il mese peggiore dell'anno, quando il vento è più debole, il costo è rimasto competitivo, sebbene sia aumentato leggermente. Questa viabilità finanziaria suggerisce che l'installazione di turbine eoliche a Iriba non è solo una possibilità teorica, ma un modo pratico ed economico per trasformare l'economia locale.

Lo studio conclude che Iriba possiede una riserva di energia pulita capace di alimentare robuste infrastrutture di pompaggio dell'acqua, offrendo un'alternativa valida ai combustibili fossili per questa zona arida. Tuttavia, i ricercatori avvertono con cautela che la soluzione non è priva di limitazioni. Il divario stagionale nella potenza eolica, in particolare tra giugno e ottobre, significa che affidarsi solo al vento lascerebbe la comunità senza energia per parte dell'anno. Per risolvere questo problema, gli autori raccomandano un approccio ibrido, combinando le turbine eoliche con i pannelli solari. Poiché il sole è spesso più luminoso quando il vento è più debole, le due fonti si complementerebbero a vicenda, garantendo un approvvigionamento costante di energia durante tutto l'anno. Raccomandano inoltre di installare le turbine a un'altezza di cinquanta metri per catturare i venti più forti e stabili presenti sopra il suolo. Seguendo queste linee guida, la comunità di Iriba potrebbe trasformare il vento che soffia attraverso le sue pianure aride in una fonte affidabile di acqua ed elettricità, rafforzando la sua resilienza contro il duro clima del nord del Ciad.